Millaisen tutkimuksen parissa aherrat, nano ja -molekyylisysteemien tutkimusyksikön tutkijatohtori Minna Patanen?
Tutkin nanopartikkeleita synkrotronisäteilyherättäisesti.
Mitä tutkimuksesi tarkoittaa suomeksi?
Eli tutkin nanohiukkasia eri aallonpituuksia hyödyntäen. Näkyvällä valolla ei pystytä pieniä kohteita, kuten nanopartikkeleita, tutkimaan. Jos kohde on pienempi kuin säteilyn aallonpituus, niin sitä ei voida niin sanotusti ”nähdä”. Nanopartikkelien näkemiseen tarvitaan lyhempiaaltoista säteilyä, ja sitä saadaan synkrotroni-laitteen säteilyn avulla.
Mitä nanopartikkelit siis ovat?
Nanopartikkelit ovat alle mikrometrin kokoisia atomirykelmiä, ja ne voivat koostua tuhannesta jopa miljoonaan atomiin. Tutkin hiilipohjaisia nanopartikkeleita synkrotronisäteilyllä. Valitsin hiilipohjaiset nanopartikkelit, koska ne ovat mielestäni mielenkiintoisia, niitä esiintyy luonnossa esimerkiksi ilmakehässä, ja ne ovat myös ihmisille turvallisempia kaupallisissa sovelluksissa kuin raskasmetalleja sisältävät nanopartikkelit.
Teen tutkimusta esimerkiksi nokinanopartikkeleista, joilla on vaikutusta ilmakehään sekä ihmisten terveyteen. Oma tutkimukseni on kuitenkin fysikaalista perustutkimusta, jolla koitan selvittää yksittäisen partikkelin koostumusta ja ominaisuuksia, jotta voimme tietää, miten se reagoi ympäristönsä kanssa.
Entä mikä on synkrotroni?
Synkrotroni on laite, jonka avulla on mahdollista tutkia molekyylitason rakenteita ja prosesseja esimerkiksi lääketieteessä, biologiassa, kemiassa ja fysiikassa. Tutkimuksessani käyttämäni synkrotroni on hiukkaskiihdytin, jossa lähes valonnopeudella liikkuvien elektronien ratoja poikkeutetaan magneettijonoilla. Elektronit säteilevät, koska ne ovat kiihtyvässä liikkeessä. Synkrotronista elektronit johdatetaan säteilylinjoihin, jotka ovat erikoistuneet tutkimaan materiaa erilaisilla aallonpituuksilla infrapuna-alueelta korkean energian röntgenalueelle.
Eri aallonpituudet vuorovaikuttavat aineen kanssa eri tavoin: infrapunasäteily virittää aineen molekyylejä värähtelemään, kun taas pehmeät röntgensäteet ionisoivat ainetta ja kovat röntgensäteet siroavat aineesta. Erilaista säteilyä käyttämällä esimerkiksi nanopartikkelien ominaisuuksista saadaan monipuolisempi kuva, hieman kuten värivalokuvassa on enemmän informaatiota kuin mustavalkokuvassa.
Millaista säteilyä itse hyödynnät nanopartikkelien tutkimuksessa?
Käytän röntgenalueen säteilyä tutkimuksessani. Säteilyä voi hyödyntää portaattomasti, ja omassa tutkimuksessani tämä on hyödyllistä, sillä voin aallonpituutta säätämällä esimerkiksi valita, kuinka syvältä nanopartikkelin sisältä saan informaatiota. Olen kiinnostunut erityisesti niiden pinnan rakenteesta ja kemiallisesta koostumuksesta, ja röntgensäteilyllä pystyn keräämään tietoa juuri nanopartikkelien pinnoilta.
Millaisessa ympäristössä tutkimusta voi tehdä?
Yleensä nanopartikkeleita tutkitaan erilaisilla alustoilla, ja esimerkiksi selvitetään, miten nanopartikkelit reagoivat erilaisten alustamateriaalien kanssa. Omassa tutkimuksessani tutkin nanopartikkeleita kaasumaisessa ympäristössä, koska monet luonnossa esiintyvät nanopartikkelit, kuten nokihiukkaset, ovat vapaina ilmakehässä. Näin ollen nanopartikkelit eivät ole vuorovaikutuksessa minkään häiritsevän pinnan kanssa, ja saan realistisia tuloksia. Pyrin tutkimaan vain yhtä hiukkasta kerrallaan enkä kokonaista rykelmää nanopartikkeleja tai kiinteää ainetta.
Miten tutkimusta tehdään?
Ensin nanopartikkelit saatetaan kaasumaiseen muotoon vapaasti leijuviksi hiukkasiksi esimerkiksi muodostamalla niitä palamisprosessissa. Nanopartikkeleista mittaan sitten niistä irtoavien elektronien energiaa, joka kertoo mistä alkuaineista ne ovat peräisin. Mittaamalla energiaa saan selville myös tietoa nanopartikkelien rakenteesta, ja miten kemialliset sidokset niissä ovat muodostuneet. Saan siis atomitason informaatiota aiheesta, joten tulosten tulkinnassa tarvitsen kvanttimekaniikkaa.
Miksi tutkit juuri tätä aihetta?
Minua motivoivat isommat ongelmat, kuten nanopartikkelien vaikutukset ilmastonmuutokseen ja nanopartikkelien imeytyminen ihoon. Nanopartikkeleiden vaikutuksista ei kuitenkaan olla vielä varmoja. Tutkin aihetta, sillä haluan, että tunnemme tarkasti, millaisia nanopartikkelit ovat, ja miten ne vuorovaikuttavat ympäristön kanssa. Käyttämäni menetelmät soveltuvat erityisesti nanopartikkelien pintojen tutkimiseen, mikä on tärkeää, sillä kemialliset reaktiot tapahtuvat pinnoilla ja nanopartikkelien vuorovaikutusominaisuudet määräytyvät pinnan ominaisuuksien mukaan.
Tällä hetkellä tutkimus herättää enemmän kysymyksiä kuin antaa vastauksia eikä kaikkea tutkimuksen vaatimaa laitteistoa ole vielä sellaisenaan olemassa, mikä vaikeuttaa tutkimuksen tekemistä. Oulun yliopiston Nano- ja molekyylisysteemien tutkimusyksikössä kehitetään kansainvälisessä yhteistyössä sekä laitteistoja että teoreettista mallintamista, joten uskon, että tulevina vuosina voimme olla tämän tutkimusalan eturintamassa.
